1、納米生物材料學第1頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二概 述光導纖維光通信硅單晶集成電路計算機和電子設備納米材料納米技術納米材料廣泛地存在于自然界。材料是一切技術的物質基礎。第2頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二隕石第3頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二鯊魚第4頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二珊 瑚海藻珊瑚第5頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Sugar Beets糖用甜菜第6頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Sugar Beet Pulp Cellu

2、lose 20% cellulose, 25-30% hemicellulose and 25-35% pectin, sucrose, proteins, lignin, fatIndividual microfibrils 2 - 4 nm in diameter第7頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Bacterial CelluloseAcetobacter xylinumRibbons: rectangular cross-section of 50 x 0.8 nm300 nm第8頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Microfibril

3、 sizeCotton Wood Sugar BeetAlgae海藻 Tunicin被囊纖維素第9頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二內容 納米材料的概念納米材料的特性 納米材料的分類常用的納米生物材料典型的納米材料第10頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 一. 概 念 納米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超細顆粒構成的具有小尺寸效應的零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元構成的三維材料的總稱。 材料維數 納米尺度維數 非納米尺度維數 例子0 維(量子點) 3 01 維(量子線)212 維(量子阱)12納米粉末納米纖維/管納米

4、膜3 維0 3納米塊體第11頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二AFM picture Nanoparticles第12頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二第13頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Figure 1 Nano alumina fibers Figure 2 Nano alumina fibers (note absence of particulates) (note fibers in foreground brought The rule is 200 nm long into focus) The rule

5、 is 100 nm long第14頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Carbon nanotubes第15頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二納米無創注射器納米管陣列第16頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二NanomembraneAFM pictureDetailed structureNanomembraneAFM pictureDetailed structure第17頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二二.納米材料的特性 相對于普通材料而言，納米材料由納米粒子（或稱為納米結構單元）組成。納米粒子

6、一般是指尺寸在1100 nm之間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域；從通常的微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系統。納米材料由于晶粒極細，原子大量處于晶界和晶粒內的缺陷中心，本身具有表面效應、小尺寸/量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等，而顯示出許多既不同于微觀的原子、分子，又不同于宏觀物體的奇異的物理、化學特性，即它的光學、磁學、力學、熱學、電學以及化學性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。 第18頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二1.表面效應 固體材料表面的原子與內部的原子所處的環境是不同的，當材料的粒徑大于原

7、子直徑時，表面原子可以忽略；但當粒徑逐漸接近于原子直徑時，表面原子的數目及其作用就不能忽略，而且這時晶粒的表面積、表面能和表面結合能等都發生了很大的變化，人們把由此而引起的種種特異效應統稱為表面效應。第19頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二比表面積表面原子百分數納米顆粒的表面能高、活性強顆粒直徑 納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。性質變化第20頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，表面原子的比例迅速增加。當粒徑降到1nm時，表面原子數比例達到約90%

8、以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數增多，表面原子配位數不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來，故具有很高的化學活性。球形顆粒的比表面積 = S/V = 42/（4/3）3 = 3/第21頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二高表面活性 交聯或吸附性強Drug / Gene Delivery System 藥物/基因轉運系統吸附在細胞膜上胞吞作用進入細胞吸附藥物/質粒DNA納米粒納米粒-藥物/DNA復合物第22頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二納米載體-綠色熒光蛋白報道基因轉染細胞第23頁，共71頁，202

9、2年，5月20日，17點51分，星期二納米粒納米粒納米粒吸附Ab 或Ag用于檢測或導向技術第24頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二1 nm10 nm102 nm103 nm104 nm105 nmParts of DNA, VirusCellsProteins, EnzymesNanoparticles BeadsBIOMAT 190802MH NanoparticleAntibodyAntigen Organic bead with inorganic nanoparticles Cells like macrophages, lymphocytes etc.第25頁

10、，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二2.小尺寸效應 小尺寸效應是指 由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化。尺寸變小 + 比表面積 新奇的性質 光學熱學力學磁學第26頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 由無數的原子構成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續的。對介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子/小尺寸效應。

11、例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數還是偶數有關，比熱亦會反常變化，光譜線會產生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現。 第27頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二（1） 特殊的光學性質 納米顆粒當尺寸小到一定程度時具有很強的吸光性。金屬納米顆粒對光的反射率很低，通常可低于l，大約幾微米的厚度就能完全消光。幾乎所有的金屬納米顆粒都可呈現黑色。 第28頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二納米涂料隱形飛機第29頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二（2） 特殊的磁學性質 納米顆粒的磁性與大

12、塊材料的磁性有顯著的不同，磁性納米顆粒具有高矯頑力。當純鐵顆粒尺寸減小到一定程度（二十個納米）時，其矯頑力可顯著增加；尺寸減小到 6nm 時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。 第30頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二生物磁性納米顆粒生物體內磁性超微顆粒-生物磁羅盤第31頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運動磁性納米粒運動軌跡第32頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二第33頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二磁性納米球用于細胞分離癌癥診斷磁性納米粒在生物醫學中的應用第3

13、4頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二（3） 特殊的熱學性質 固態物質在大尺寸形態時，其熔點是固定的，超細微化后其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。 （4）特殊的力學性質呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬35倍。 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。第35頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。 納米顆粒的一些宏觀物理量，如顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等，亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。3.宏觀量子隧道效應第36頁，共

14、71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二三. 納米材料分類納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅納米纖維：納米絲、納米棒、納米管納米膜： 超薄膜、多層膜、超晶格納米液體材料納米塊體: 納米Cu的塊體材料 材料的形態第37頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二物理性能納米半導體納米磁性材料納米非線性光學材料納米鐵電體納米超導材料納米熱電材料第38頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二化學結構納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復合材料第39頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二應用納米電子材料納米光電子材料納米生物醫

15、學材料納米敏感材料納米儲能材料第40頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 四. 納米生物材料的制備 固相法反應物的聚合狀態 液相法 氣相法 納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結構的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的技術領域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發揮最佳效果。第41頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二四.幾種典型的納米材料 1.納米顆粒型材料應用時直接使用納米顆粒的材料稱為納米顆粒型材料。 納米金屬磁粉 高密度金屬磁帶、磁盤 超微顆粒催化劑 鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒 ，超細鐵粉 磁性納米顆粒 藥劑的載

16、體 第42頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 納米金顆粒 金溶膠 +Ag/Ab 間接凝集試驗 (快速診斷 ) 超細的銀/鎳粉輕燒結體 電池的電極 納米隱身涂料軍事（吸波特性，波的反射率） 第43頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二2.納米固體材料 納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。 主要特征是具有巨大的顆粒間界面，原子的擴散系數大大提高，使得納米材料具有高韌性。 第44頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二普通陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優點，但

17、又具有脆性和難以加工等缺點。 納米陶瓷增加韌性，改善脆性 復合納米固體材料金屬陶瓷 ：含有20超微鉆顆粒-火箭噴氣口的耐高溫材料 金屬鋁中含進少量的納米陶瓷顆粒-重量輕、強度高、 韌性好、耐熱性強的新型結構材料。 第45頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二漸變功能材料 ：成分緩慢連續地發生變化的材料。 耐高溫陶瓷表面陶瓷與金屬的復合體導熱性好的金屬 （與冷卻系統相接觸 ） 用途：航天飛機隔熱材料、核聚變反應堆的結構材料； 人造器官 第46頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二3.納米膜材料 顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復合薄膜。 通常選用兩種

18、在高溫互不相溶的組分制成復合靶材，在基片上生成復合膜，當兩組份的比例大致相當時,就生成迷陣狀的復合膜，因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態，從而控制膜的特性。如對金屬與非金屬復合膜，改變組成比例可使膜的導電性質從金屬導電型轉變為絕緣體。 第47頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 金顆粒膜紅外線傳感元件 氧化錫顆粒膜 氣體一濕度多功能傳感器 鉻三氧化二鉻顆粒膜 吸收太陽光，將太陽光轉變為熱能 顆粒膜傳感器的優點是高靈敏度、高響應速度、高精度、低能耗和小型化。 第48頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二4.納米磁性液

19、體材料 磁性液體是由超細微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構成穩定的具有磁性的液體。 特點：可以在外磁場作用下整體地運動 。 金屬磁性微粒制成的磁性液體 用途 ：（1）旋轉軸動態密封 （2）提高揚聲器輸出功率（3）各種阻尼器件 （4）分離不同比重的非磁性金屬與礦物 第49頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二五.納米生物醫用材料及其應用 1.細胞分離用納米材料 利用納米復合粒子性能穩定、不與膠體溶液反應且易實現與細胞分離等特點,可將納米粒子應用于診療中進行細胞分離。 第50頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 美國科學家用納米S

20、iO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細胞分離出來,并能準確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中腫瘤細胞的分離；利用納米微粒進行細胞分離技術很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細胞，實現癌癥的早期診斷和治療。 第51頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 利用不同抗體對細胞內各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復合物。 2.用于細胞內部染色的納米材料第52頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 借助

21、復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物,在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色(如10nm 的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標簽,因而為提高細胞內組織的分辨率提供了一種急需的染色技術。第53頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 應用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質。以此為基礎可制備多種顏色的納米顆粒標簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產生諧波等。 例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。第54頁，共71頁，2022年，5月20日，

22、17點51分，星期二第55頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二 這些不同顏色的納米顆粒標簽表面包被細胞特異性抗體/配體后，可進行組織/細胞染色或標記、疾病的診斷及示蹤技術。第56頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二3.納米藥物控釋材料 納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細胞吸收、可通過人體最小的毛細血管、甚至可通過血腦屏障等特性, 而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑等許多優點。 第57頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二載地塞米松的乳酸-乙酸納米粒子 有效治療動脈再狹窄 聚乙烯吡咯烷酮包覆

23、紫松醇 納米粒子抗癌新藥 聚氰基丙烯酸己酯包覆胰島素 延長作用時間，提高療效載抗增生藥物的乳酸-乙醇酸納米粒子 有效防止冠狀動脈 再狹窄 第58頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二4.納米抗菌材料及創傷敷料利用+可使細胞膜上的蛋白失活, 從而殺死細菌。 利用該類材料的光催化作用, 與2反應生成具有強氧化性的羥基以殺死病菌 ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料 +系抗菌材料: 第59頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二內部有特殊的結構而帶有不飽和的負電荷,具有強烈的陽離子交換能力,對病菌、細菌有強的吸附固定作用,從而起到抗菌作用。 -18納米蒙脫土等

24、無機材料 殼聚糖等高分子聚合物 第60頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二Figure. AFMs of S. choleraesuis cells after treatment with chitosan nanoparticles for different time. 30min1h1.5h2h3huntreated第61頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二5.納米顆粒中藥及保健品 納米級中藥粒子 可溶于水, 有效提高藥物利用率 口服膠囊、口服液或膏藥 納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品 毒性，活性（硒旺膠囊 ）第62頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二6. 納米醫用陶瓷納米陶瓷在人工骨、人工關節、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復體等人工器官制造及臨床應用領域有廣闊的應用前景。 納米級羥基磷灰石復合材料 聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料ZrO2 的納米羥基磷灰石復合材料 納米TiO2 /聚合物復合材料 第63頁，共71頁，2022年，5月20日，17點51分，星期二納米磷酸鈣/膠原基骨材料 圖1.納米磷酸鈣/膠原的TEM 可知磷酸鈣/膠原層間距為11.7nm 與骨組織里的7.1nm 十分接近，均為一種傾斜的層狀結構。圖2.納米磷酸鈣/膠